钛合金激光增材制造过程中熔池和粉末耦合现象研究

发布时间：2020-06-12 14:32

【摘要】：激光增材制造技术用于制造、零件修理、涂层和金属快速成型,在该过程中,涉及到激光与粉末的相互作用、激光与基板的相互作用、界面的演化以及融合的相互作用。充分理解激光和粉末耦合现象变得更加重要,熔池表面钛合金粉末的动态特性和熔池中钛合金粉末熔化状态直接影响成形件形貌、缺陷以及组织。许多学者对熔池流动特征和同轴喷粉加入的粉末粒子进行了数值仿真模拟,然而,目前极少有学者用实验方法精确地描述熔池表面钛合金粉末的流动特性以及对熔池表面钛合金粉末的熔化过程进行研究。本文的研究主要内容是钛合金激光增材制造过程熔池与钛合金粉末耦合现象,分析了熔池表面钛合金粉末的流动速度,熔池表面钛合金粉末的熔化时间以及熔池单位面积区域内钛合金粉末的数量。首先,本文通过搭建双目视觉系统,对熔池图像进行实时采集。两台高速相机的型号分别为MEMRECAM HX-7和FASTCAM SA4,将两台高速相机安装同时触发开关,确保两台高速相机采集到同步的熔池图像,并将两台高速相机的分辨率、曝光时间以及帧率等参数设置成相同。同时,调节好两台高速相机的相对位置,确保能够采集到干扰较少的熔池图像。此外,对两台高速相机进行尺寸标定和棋盘格标定,标尺标定的目的是确定熔池大小,棋盘格标定的目的是确定两台高速相机的内外参数和两台高速相机的相对位置。其次,本文对两台高速相机采集到的熔池图像进行处理,通过图像剪切、滤波以及阈值分割等一系列的数学图像处理技术提取熔池面积、长度、高度以及熔池表面的钛合金粉末特征。并统计熔池表面钛合金粉末的熔化时间和单位熔池面积内表面钛合金粉末的数量。同时,从熔池的图像中提取到熔池表面的钛合金粉末,并对钛合金粉末进行三维重构。利用粒子滤波追踪算法对熔池表面运动的钛合金粉末进行快速且准确地追踪,并计算出熔池表面钛合金粉末的速度。最后,本文研究了送粉率、激光功率以及扫描速度等工艺参数分别对钛合金粉末的流动速度、钛合金粉末的熔化时间和单位面积区域内钛合金粉末数量的影响规律。钛合金粉末在溶池中的熔化过程主要分为四种类型,分别是粉末直接进入熔池内部熔化,粉末在模糊区域熔化,粉末在固液界面处熔化和粉末未与熔池完全融合。
【图文】：

钛合金,工艺参数控制,制造过程,流场

逦钛合金激光增材制造过程中熔池和粉末耦合现象研宄逦逡逑０逡逑材制造过程中熔池和添加粉末间的相互作用机制将会对优化和控制加工过程提供逡逑参考。首先，激光加工工艺参数如何影响熔池形态和流动行为的机制研究并不成逡逑熟，无法建立具有两者之间的对应关系，无法定量的分析工艺参数对加工状态的逡逑影响权重；其次，熔池状态对成型工件性能影响的研究并不完善，无法通过在线逡逑监测熔池实现对合金的凝固状态或缺陷生成进行预测，进而无法通过在线闭环控逡逑制保障最终成型工件的综合力学性能。逡逑

熔覆,光纤激光器

２．２实验设备逡逑２．２．１激光r:及溶覆头逡逑激光器为ＹＬＳ－５０００型光纤激光器，，由ＩＰＧ公司生产，如图２．２邋（ａ）所示，逡逑其主要参数见表２．２。激光增材制造熔覆头采用的Ｐｒｅｃｉｔｅｃ公司的ＹＣ５２熔覆头，逡逑如图２．２邋（ｂ）所示，其主要参数如表２．３所示。逡逑１逦１１１逦雪１逡逑（ａ）光纤激光器逦（ｂ）ＹＣ５２熔覆头逡逑图２．２光纤激光器及其熔覆头逡逑表２．２邋ＹＬＳ－５０００型激光器主要技术参数逡逑参数类型逦参数大小逡逑额定输出功率（Ｗ）逦５００－５０００逡逑光束模式逦ＴＥＭ00逡逑运行模式逦连续或调制逡逑辐射带宽（ｎｍ邋）逦３逡逑辐射波长（ｎｍ）逦１０７０逡逑输出光纤芯径（｜ｉｍ）逦４００逡逑调制频率（ｋＨｚ）逦５逡逑操作光纤邋ＢＰＰ邋（ｍｍ＊ｍｒａｄ）逦
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249;TG146.23

【参考文献】